JPH08327615A - 試料採取装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 試料をコールドトラップ法により濃縮補集す
る試料採取装置において、より迅速な加熱冷却を行うこ
とができ、より高温状態で脱離することができる試料採
取装置を提供する。 【構成】 管路１０内に吸着材１４を充填するととも
に、この管路１０の外周側に加熱手段１１と、加熱手段
１１の外側に密着して取り付けた第１のブロック部材５
０と、電子冷却素子４０が密着して取り付けられるとと
もに第１のブロック部材５０に対し移動手段５２により
着脱可能とした第２のブロック部材５１とから構成さ
れ、試料吸着時には第１ブロック部材５０と第２ブロッ
ク部材５１とを接触させて冷却し、試料脱離時には第１
ブロック部材５０と第２ブロック部材５１とを分離させ
て加熱するようにして、加熱時には電子冷却素子は加熱
されないようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大気等に含まれる低濃
度の有機化合物等の試料を濃縮補集して分析する分析装
置の試料採取装置に関し、さらに詳しくは試料をコール
ドトラップして採取する試料採取装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスクロマトグラフ質量分析装置等の分
析装置を用いて大気中に含まれる低濃度の有機化合物な
どの試料を分析するのに、予め試料を濃縮補集してから
分析を行う方法がとられることがある。このような方法
に用いられる試料採取装置のひとつにコールドトラップ
法を用いた装置があり、これにより試料を濃縮採取し、
試料の濃度を高めてから試料を分析装置に導入すること
がなされている。図２にガスクロマトグラフ質量分析装
置に使用されている従来からのコールドトラップ法を用
いた試料採取装置を示す。

【０００３】図２に示すように、この試料採取装置はガ
ラスチューブ１０のまわりに密着させてシーズヒータ等
のヒータ１１が巻かれており、ヒータ１１の外側を囲む
ように良熱伝導体材料であるアルミ製のブロック１２が
取り付けてある。このブロック１２には液体窒素等の冷
媒が送られる冷媒通路１３が設けられており、冷媒を供
給することによりガラスチューブ１０が冷却できるよう
になっている。

【０００４】ガラスチューブ１０内には、試料ガスを吸
着することができる吸着剤１４が充填されており、ヒー
タ１１により加熱され、またブロック１２により冷却さ
れるようになっている。

【０００５】ガラスチューブ１０の両開口端は、６方切
換バルブ２０に接続されており、バルブの切り換え動作
により、試料の吸着動作とキャリアガスによる吸着試料
の分析装置への供給動作とが行えるようになっている。

【０００６】この装置による試料採取は以下のようにし
て行う。まず、試料採取時は、６方切換バルブ２０は、
図２の実線にて示す状態、すなわちガスライン（ａ）、
ガスライン（ｂ）、ガラスチューブ１０、ガスライン
（ｃ）、ガスライン（ｄ）、ベントとが連通する状態に
しておき、キャリアガス（Ａ）により運ばれてくる試料
が、ガラスチューブ１０内の吸着材１４のある領域に送
られる。このとき、冷媒通路１３には液体窒素を流して
ガラスチューブ１０を冷却することにより、試料がガラ
スチューブ１０内の吸着材にコールドトラップ作用で濃
縮して吸着されるようにする。

【０００７】試料の吸着を終えた段階で液体窒素の供給
を停止するとともに、切換バルブ２０を図１の破線にて
示す状態、すなわちキャリアガス（Ｂ）、ガスライン
（ｅ）、ガスライン（ｃ）、ガラスチューブ１０、ガス
ライン（ｂ）、ガスライン（ｆ）とが連通する状態にし
て切り換えた後、ヒータ１１を急速加熱する。吸着材１
４に濃縮されて吸着している試料は、急速加熱により短
時間で脱離し、キャリアガス（Ｂ）により送り出されて
ガスライン（ｆ）に接続されたガスクロマトグラフ質量
分析計の試料導入部に送られ、本分析装置により濃縮し
た試料による分析がなされる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図２の試料採取装置で
は、冷却に液体窒素などの冷媒を必要とするため、冷媒
の供給管理が必要であり、操作性、ランニングコストに
問題がある。

【０００９】そこで、冷媒を用いないで冷却する方法と
して電子冷却素子（ペルチェ素子）を利用したものが考
えられる。電子冷却素子を用いた試料採取装置の要部を
図３に示す。このものは、ブロック１２に電子冷却素子
４０の冷却側が接触され、電子冷却素子４０の発熱側に
は放熱フィン４１が接続される。そして、この放熱フィ
ン４１に向けて冷却用のファン４２が取り付けられる。
なお、ガラスチューブ１０、ヒータ１１、吸着材１４、
６方切換バルブ２０、各ガスラインの接続等は図２と同
じである。

【００１０】このものでは、冷媒を使用しないので、冷
媒にかかわる問題はなくなる。しかし、電子冷却素子４
０による冷却には時間がかかる。また、冷却したブロッ
ク１２がヒータ１１により急速に加熱されるため、電子
冷却素子４０自身も、ブロック１２を介して高温まで急
速に加熱される。したがって、電子冷却素子４０に加
熱、冷却の温度サイクルがかかることとなり、電子冷却
素子４０に歪が生じ、耐久性が劣化することになる。ま
た熱歪の影響を防ぐ必要から、電子冷却素子４０の耐熱
性を考慮して加熱の最高温度を制限して使用する必要が
ある。

【００１１】したがって、本発明は以上のような課題を
解決し、電子冷却素子を用いた試料採取装置において電
子冷却素子自身の耐熱性による制限を受けず、冷却能力
の優れた試料採取装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
になされた本発明の試料採取装置は、管路内に試料を吸
着させる吸着材を充填するとともに、この管路の外周側
に前記吸着材の加熱および冷却を行うための加熱手段と
冷却手段とを取り付けた試料採取装置において、前記加
熱手段は、管路の外周面に密着して取り付けられ、前記
冷却手段は、加熱手段の外側に密着して取り付けた第１
のブロック部材と、電子冷却素子が密着して取り付けら
れ、第１のブロック部材に対し移動手段により着脱可能
とした第２のブロック部材とから構成され、試料吸着時
には第１ブロック部材と第２ブロック部材とを接触させ
て冷却し、試料脱離時には第１ブロック部材と第２ブロ
ック部材とを分離させて加熱するようにしたことを特徴
とする。

【００１３】また、上記問題を解決するためになされた
第２の発明の試料採取装置は、Ｕ字形管路内に試料を吸
着させる吸着材を充填するとともに、このＵ字形管路の
外周側に前記吸着材の加熱および冷却を行うための加熱
手段と冷却手段とを取り付けた試料採取装置において、
前記加熱手段は、Ｕ字形管路の外周面に密着して取り付
けられ、前記冷却手段は、電子冷却素子が密着して取り
付けられたブロック部材に、前記Ｕ字形管路が内包でき
る凹部が形成された構成とし、かつ、ブロック部材に取
り付けられた移動手段によりＵ字形管路とブロック部材
とが着脱可能にされ、試料吸着時にはＵ字形管路をブロ
ック部材の凹部に挿入し、試料脱離時にはＵ字形管路と
ブロック部材とを分離させて加熱するようにしたことを
特徴とする。

【００１４】以下、この試料採取装置がどのように作用
するかを説明する。

【００１５】

【作用】本発明の試料採取装置では、第１ブロック部材
は加熱手段の外側を覆うように固定してある。そして第
１ブロック手段に対向して第２ブロック手段が設けてあ
り、第２ブロック部材は移動手段を駆動することにより
第１ブロック手段に対して面接触させたり、分離させた
りすることができるようになっている。この第２ブロッ
ク部材には電子冷却素子が取り付けられており、第２ブ
ロック部材が冷却されるようになっている。

【００１６】まず、吸着材に試料を吸着するときは、移
動手段を駆動して第１ブロック部材と第２ブロック部材
とを接触させる。第２ブロック部材は電子冷却素子によ
り冷却されているので、第１ブロック部材は第２ブロッ
ク部材との面接触により急速に冷却される。第１ブロッ
ク部材の冷却により管路が冷却され、その中にある吸着
材も冷却される。吸着材が冷却された状態で管路内に試
料を導入すると、コールドトラップ作用により試料を吸
着材に濃縮して吸着させることができる。

【００１７】次に、分析装置に試料を供給するために試
料を吸着材から脱離させるときは、まず移動手段を駆動
して第１ブロック部材を第２ブロック部材と分離して第
１ブロック部材が冷却されないようにする。続いて加熱
手段により管路の加熱を行うことで、吸着材が加熱さ
れ、吸着されていた試料が脱離させる。脱離した試料を
キャリアガスにより分析装置の方へ送り出すことによ
り、濃縮した試料を分析装置に供給することができる。

【００１８】このような操作をすることで、たとえ加熱
を行っても、加熱時は電子冷却素子は加熱手段から分離
されているので、熱の影響を受けることがなく、熱歪に
よる劣化の問題等が解消される。

【００１９】また、第２の発明においては、Ｕ字形管路
内の吸着材に試料を吸着するときは、移動手段を駆動し
てＵ字形管路をブロック部材の凹部の中に入れる。ブロ
ック部材は電子冷却素子により冷却されているので、試
料は冷却された吸着材に濃縮して吸着される。次に、試
料を脱離させるときは移動手段によりＵ字形管路を凹部
から取り出し、加熱手段により管路加熱を行う。管路に
はブロック部材が付いていないので熱容量が小さく、さ
らに急速に加熱されて試料が脱離する。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を用いて説明す
る。図１は本発明の一実施例を示す試料採取装置の要部
を示す構成図である。なお、試料の供給源、キャリアガ
ス源や分析装置とのガスラインの接続などは図２に示し
た従来例と同様であるので、同符号を用いることにより
説明を省略する。

【００２１】図に示すように、吸着材１４を充填した管
路であるガラスチューブ１０の外周にはヒータ１１が巻
回されてあり、通電することにより加熱ができるように
してある。このヒータ１１のさらに外周には良熱伝導部
材からなる第１ブロック５０がヒータ１１を囲むように
固定される。第１ブロック５０は吸着材１４が充填され
ている領域を取り囲むように固定されており、後述する
冷却機構により第１ブロック５０が冷却されると、吸着
材１４も十分に冷却されるようになっている。第１ブロ
ック５０の外周側にはこれに対向して良熱伝導部材から
なる第２ブロック５１が設置してある。なお、良熱伝導
部材の例としてはたとえばアルミ製のブロックが適当で
ある。この第２ブロック５１には電子冷却素子４０（ペ
ルチェ素子）の冷却面が密着するように取り付けてあ
り、電子冷却素子の発熱側には放熱フィン４１、冷却用
のファン４２が取り付けてある。そして、第２ブロック
５１、電子冷却素子４０、放熱フィン４１、ファン４２
とは、昇降機構５２により移動可能にしてあり、昇降機
構５２を駆動することにより第１ブロック５０と第２ブ
ロック５１とが面接触したり、分離したりするように構
成されている。第２ブロック５１は、第１ブロック５０
と面接触するように第１ブロック５０の外側面の形状に
合わせた形に構成される。すなわち、第１ブロック５０
の外側接触面が円筒形であれば、第２ブロック５１の接
触面もこの面に合わせた曲面とし、第１ブロック５０の
外側接触面が平面であれば第２ブロック５１の接触面も
平面にして２つのブロックが面接触できるようにする。
また、第２ブロック５１を第１ブロック５０より大きい
ブロックにして熱容量を大きくしておくこともできる。
これにより第１ブロック側の熱容量がより小さくできる
ので、冷却されている第２ブロック５１を接触したとき
に第１ブロック５０が到達する温度を十分低くすること
ができる。

【００２２】次にこの試料採取装置の動作を説明する。
まず、吸着材１４に試料を吸着するときは、試料の供給
元とガラスチューブ１０とが連通するようにバルブを切
り換え、試料を含むガスがガラスチューブに運ばれる状
態にしておく。そして、昇降機構５２を駆動して第１ブ
ロック５０と第２ブロック５１とを面接触させる。第２
ブロック５１は電子冷却素子４０により冷却されている
ので、第１ブロック５０は第２ブロック５１との面接触
により急速に冷却される。第１ブロック５０の冷却によ
りガラスチューブ１０が冷却され、その中にある吸着材
１４も冷却される。通常、吸着材は摂氏−３０度程度ま
で冷却装置により冷却される。吸着材１４が冷却された
状態でガラスチューブ１０内に試料を導入すると、コー
ルドトラップ作用により試料を吸着材１４に濃縮して吸
着させることができる。

【００２３】次に、分析装置に試料を供給するために試
料を吸着材１４から脱離させるときは、ガラスチューブ
１０と分析装置とが連通するようにバルブを切り換えて
おく。

【００２４】まず昇降機構５２を駆動して第１ブロック
５０を第２ブロック５１と分離して第１ブロック５０が
第２ブロック５１により冷却されないようにする。続い
てヒータ１１によりガラスチューブ１０の加熱を行う。
加熱は毎秒数十度ずつ昇温する速度で行い、およそ摂氏
２００度以上に昇温する。このようにして吸着材１４が
加熱され、吸着されていた試料が脱離する。これをキャ
リアガスを用いて分析装置の方へ送り出すことにより、
濃縮した試料を分析装置に供給することができる。

【００２５】冷却に電子冷却素子を用いる場合、電子冷
却素子の耐熱温度が摂氏１６０度程度であるが、本発明
では加熱時に電子冷却素子４０自体がヒータから分離さ
れているためたとえガラスチューブ１０側を摂氏２００
度以上に加熱しても問題とならない。しかも加熱昇温の
熱サイクルによる熱歪の問題もない。

【００２６】本実施例では補集管としてガラスチューブ
を用いたが金属チューブを用いてもよい。分析装置とし
てガスクロマトグラフ質量分析装置を示したが、これに
限るものではなく濃縮した試料を分析する分析装置であ
ればどのような分析装置にも使用可能である。

【００２７】また、電子冷却素子は第１ブロックが第２
ブロックと分離している時も常時冷却するようにしてお
くことにより、さらに第１ブロックの冷却を迅速かつ効
果的に行うことができる。

【００２８】続いて、第２の発明の実施例を図４を用い
て説明する。なお、図１と同じものは同符号を用いるこ
とにより説明を省略する。本実施例では、Ｕ字形管路６
０内に試料を吸着させる吸着材１４を充填するととも
に、このＵ字形管路６０の外周側に前記吸着材の加熱を
行うヒータ１１が巻かれている。また、冷却手段は、電
子冷却素子４０が密着して取り付けられたアルミブロッ
ク５３（良熱電導体材料であればアルミ以外でもよい）
のに、前記Ｕ字形管路６０が内包できる凹部６１が形成
されものからなり、かつ、アルミブロック５３に取り付
けられた昇降機構５２によりＵ字形管路６０とアルミブ
ロック５３とが着脱可能に構成されている。凹部６１に
おいてＵ字形管路６０とアルミブロック５３とは非接触
にしておくこともできるが、熱交換をより良好にするた
めには内接させる方がよりよい。そのため、凹部６１の
内面に金属などの良熱電導材料を用いた弾力性を有する
メッシュや、不凍液体を入れておき、これらを介してＵ
字形管路６０とアルミブロック５３との熱電導を行って
もよい。さらに、Ｕ字形管路６０側に蓋６２を設け、冷
却時に凹部６１が密閉されるようにすることにより、冷
却能力を向上させることができる。また、アルミブロッ
ク５３の外壁を断熱材６３で覆うことによりアルミブロ
ック５３の温度をより低温に保持しておくことも有効で
ある。

【００２９】このような試料採取装置において、昇降機
構５２を駆動することにより、冷却時はＵ字形管路６０
が凹部６１内に導入され、冷却が行われる。この状態で
試料を導入すると、コールドトラップ作用により吸着材
に試料が吸着される。そして、脱離するための加熱のと
きは、昇降機構５２を駆動してＵ字形管路６０をアルミ
ブロック５３の凹部６１から離れた状態にし、続いてヒ
ータ１１に電流を流すことにより急速に加熱することが
できる。本実施例ではＵ字形管路６０の外周側には、ブ
ロック部材が設けられていないので、加熱対象部分の熱
容量を小さくすることができ、加熱手段による昇温をさ
らに急速に行うことが可能となる。また、直線形状の管
路に比べてＵ字形管路を用いていることにより、アルミ
ブロック内に内包あるいは接する領域を増やすことが容
易となり、冷却効率を向上できる。 本発明は、以上の
ようなものであるが、さらに有効な別の実施態様をまと
めておく。 （１）管路内に試料を吸着する吸着材を充填するととも
に、この管路の外周側に前記吸着材の加熱および冷却を
行うための加熱手段と冷却手段とを取り付けた試料採取
装置において、前記加熱手段は、管路の外周面に密着し
て取り付けられ、前記冷却手段は、加熱手段の外側に密
着して取り付けた第１のブロック部材と、電子冷却素子
が密着して取り付けられ、第１のブロック部材に対し移
動手段により着脱可能とした第２のブロック部材とから
構成され、かつ第２ブロックは第１ブロックより熱容量
が大きくなるように構成され、試料吸着時には第１ブロ
ック部材と第２ブロック部材とを接触させて冷却し、試
料脱離時には第１ブロック部材と第２ブロック部材とを
分離させて加熱するようにしたことを特徴とする試料採
取装置。この態様では、第２ブロックの熱容量が第１ブ
ロックよりも大きいので接触したときの第１ブロックの
到達する温度を迅速に十分低くすることができる。な
お、第１ブロック側の熱容量を小さくしておくことで加
熱時の熱容量が小さくなるので加熱についても迅速に行
うことができる。

【００３０】（２）Ｕ字形管路内に試料を吸着させる吸
着材を充填するとともに、このＵ字形管路の外周側に前
記吸着材の加熱および冷却を行うための加熱手段と冷却
手段とを取り付けた試料採取装置において、前記加熱手
段は、Ｕ字形管路の外周面に密着して取り付けられ、前
記冷却手段は、電子冷却素子が密着して取り付けられた
ブロック部材に、前記Ｕ字形管路が内包できる凹部が形
成された構成とし、かつ、ブロック部材に取り付けられ
た移動手段によりＵ字形管路とブロック部材とが着脱可
能にされ、さらに、Ｕ字形管路が凹部に入れられた状態
のときに凹部を密閉する蓋がＵ字形管路の外周に設けて
あり、試料吸着時にはＵ字形管路をブロック部材の凹部
に挿入し、試料脱離時にはＵ字形管路とブロック部材と
を分離させて加熱するようにしたことを特徴とする試料
採取装置。この実施例では冷却中に凹部内が密閉される
ので、さらに冷却効率が向上する。

【００３１】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
加熱手段は、試料を吸着する吸着材を充填した管路の外
周面に密着して取り付けられ、冷却手段は、加熱手段の
外側に密着して取り付けた第１のブロック部材と、電子
冷却素子が密着して取り付けられるとともに第１のブロ
ック部材に対し移動手段により着脱可能とした第２のブ
ロック部材とから構成されるようにしたので、試料吸着
時には第１ブロック部材と第２ブロック部材とを接触さ
せて冷却し、試料脱離時には第１ブロック部材と第２ブ
ロック部材とを分離させて加熱するので、電子冷却素子
の不必要な加熱をすることがなくなり、熱歪の問題が生
じなくなるとともに、管路の昇温温度をより高温に設定
することができる。また、第２ブロックを連続的に冷却
しておくことにより、迅速な冷却が可能となる。特に第
１ブロックより第２ブロックの熱容量を大きくしておく
ことによりより低温への迅速な冷却ができる。

【００３２】また、第２の発明においては、Ｕ字形管路
を用いるとともに、このＵ字形管路が内包できる凹部を
設けたブロック部材を用いて電子冷却素子により冷却す
る構成により、前記と同様の効果を有するとともに、加
熱対象部分の熱容量を小さくすることによりさらに急速
な加熱をすることができる。その上、ブロック部材によ
り冷却することができる管路長を、直線形状よりも長く
することができるので管路内の吸着材を増加することが
でき、その分吸着量を増やすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である試料採取装置の要部の
構成図。

【図２】従来からの試料採取装置の構成図。

【図３】従来から他の試料採取装置の構成図。

【図４】本発明の他の実施例である試料採取装置の要部
の構成図。

【符号の説明】

１０：ガラスチューブ（管路） １１：ヒータ １４：吸着材 ４０：電子冷却素子 ４１：放熱フィン ４２：ファン ５０：第１ブロック ５１：第２ブロック ５２：昇降機構（移動手段） ５３：アルミブロック ６０：Ｕ字形管路 ６１：凹部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】管路内に試料を吸着させる吸着材を充填す
   るとともに、この管路の外周側に前記吸着材の加熱およ
   び冷却を行うための加熱手段と冷却手段とを取り付けた
   試料採取装置において、前記加熱手段は、管路の外周面
   に密着して取り付けられ、前記冷却手段は、加熱手段の
   外側に密着して取り付けた第１のブロック部材と、電子
   冷却素子が密着して取り付けられ、第１のブロック部材
   に対し移動手段により着脱可能とした第２のブロック部
   材とから構成され、試料吸着時には第１ブロック部材と
   第２ブロック部材とを接触させて冷却し、試料脱離時に
   は第１ブロック部材と第２ブロック部材とを分離させて
   加熱するようにしたことを特徴とする試料採取装置。
2. 【請求項２】Ｕ字形管路内に試料を吸着させる吸着材を
   充填するとともに、このＵ字形管路の外周側に前記吸着
   材の加熱および冷却を行うための加熱手段と冷却手段と
   を取り付けた試料採取装置において、前記加熱手段は、
   Ｕ字形管路の外周面に密着して取り付けられ、前記冷却
   手段は、電子冷却素子が密着して取り付けられたブロッ
   ク部材に、前記Ｕ字形管路が内包できる凹部が形成され
   た構成とし、かつ、ブロック部材に取り付けられた移動
   手段によりＵ字形管路とブロック部材とが着脱可能にさ
   れ、試料吸着時にはＵ字形管路をブロック部材の凹部に
   挿入し、試料脱離時にはＵ字形管路とブロック部材とを
   分離させて加熱するようにしたことを特徴とする試料採
   取装置。